建筑固廢材料資源化再生利用的研究現狀

王 歡 康 玲 牟廷敏 周孝軍 鄒 圻

（1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.西華大學，四川 成都 610039）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，大量廢舊建筑面臨拆除，同時市政、公路等工程項目也逐年增多，產生大量建筑廢渣和工程棄土。據不完全統計，每年我國產生的建筑垃圾超過15.5～24億t，且呈現上升趨勢。據估算[1]，每拆除1×104m2建筑會產生建筑垃圾0.7×108～1.2×108t，體量如此巨大的建筑垃圾如何處理是目前面臨的重大問題。

大多數建筑垃圾采用露天堆放、簡易填埋、混合焚燒的處理手段，固廢材料中的潛在資源未得到充分利用，而砂石資源是最不可再生的有限礦產資源，資源稀缺與固廢材料資源浪費之間矛盾加劇，與環境保護政策和可持續發展背道而馳，制約產業發展。建筑固廢資源化再生利用對解決這一矛盾成為可能，可減少對自然資源占用，滿足建設資源節約型與環境友好型社會的需求。

“雙碳”戰略背景下，為解決我國建筑廢渣體量大而利用率差的現狀，本文總結建筑固廢資源化再生利用的研究現狀，探討合理的建筑廢渣應用方向，為砂石資源稀缺背景下的公路工程建造提供大量可靠的材料來源，促進公路工程建設高質量可持續發展。

1 建筑固廢的概念

建筑固廢是指新建、改擴建和拆除各類建筑物、構筑物、管網等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產生的渣土、棄土、棄料、余泥及其他廢棄物。按照來源分類，可細分為道路開挖垃圾、土地開挖垃圾、建筑施工垃圾、建材生產垃圾、舊建筑物拆除垃圾等五類，其中主要為建筑施工和舊建筑物拆除垃圾。

建筑固廢90%以上均為無污染的無機物（包括泥土、石塊、混凝土塊、碎磚等），具有耐酸堿、耐水、不易變形等特點，化學和物理性質比較穩定，決定了其經過處理可成為良好的再生利用材料。建筑固廢在城市垃圾中屬相對較清潔的垃圾，經合理處理將達到“變廢為寶”的效果，具有較大的應用潛力。建筑固廢污染特征及利用形式見表1。

表1 建筑固廢污染特征及利用形式

2 建筑固廢預處理工藝成套技術

建筑固廢組成復雜，再生利用之前要進行預處理，包含破碎、篩分和分選工序。肖建莊等[2]分析國內外再生骨料的生產工藝，設計了一套適用于我國建筑固廢預處理的工藝流程（如圖1所示）。該流程利用我國的勞動力資源優勢，選擇人工法對廢棄混凝土塊進行分選。當前，勞動力資源日益稀缺，人工分選效率低下、自動化程度不高，工業過程領域需要提質增效，應結合信息化、自動化技術，加強智能篩分系統研發。

庫躍東[3]開發了一套建筑固廢分揀機器人代替人工撿拾臺，提高了回收純度和效率。劉鋼洋[4]利用機器視覺、機器學習和深度學習等技術，實現對建筑固廢的智能化分選。邱葉強[5]基于計算機視覺技術提出三維點云分割算法，完成建筑固廢空間、幾何、紋理等特征的三維點云識別，實現自動分揀。

3 建筑固廢的應用方向

已有研究論證了建筑固廢資源化再生利用的可行性。與其他城市垃圾相比，建筑固廢具備體量儲備大、無毒無害、可回收利用、區域分布范圍均衡且運輸條件好的優點；在公路工程領域，建筑固廢經預處理后，可應用于路基填料、道路基層集料和再生混凝土等。

3.1 應用于路基填料

建筑廢固材料經篩分、碾壓等工序后應用于道路路基填料，已有研究和工程應用表明，回彈模量、彎沉值等指標均滿足路基要求，具有可行性。趙紀飛[6]對建筑垃圾開展了系列試驗測試和數值計算，提出建筑固廢作為路基填料的適用條件。姚志雄[7]對建筑渣土的顆粒組成、組分特性、擊實特性和CBR值等開展了試驗研究，提出能滿足路基填料各指標要求。馮碩[8]將建筑渣土應用于路基填土材料，提出建筑渣土經石灰改性作為路基填料的適應性，并總結形成系統的改性方法。

3.2 應用于道路基層

建筑廢渣再生集料表面孔隙多、密度小，吸水率大、強度低，與傳統的道路基層材料混摻或摻加固化劑，可作為再生材料應用于路面基層。科學的固化技術、合理的配合比是研究的重難點和關鍵技術。毛靜民等[9]將建筑廢渣與基于聚合物的沙土固化劑結合，研究其作為路面基層材料的性能，論證了固化后的建筑廢渣應用到城市快速路的可行性。劉琦[10]基于鋼渣-赤泥-電解錳渣等多種固廢材料，協同制備路面基層材料，各項性能均滿足一級公路及高速公路要求。

3.3 應用于再生混凝土

建筑固廢經破碎、清潔、分級篩選后，全部或部分代替砂石等集料，與水泥、粉煤灰等膠體材料以及水混合，可配置再生混凝土。大量研究表明：建筑固廢在長期運營使用或在破碎處理過程中，內部存在微小裂紋，生產出來的再生骨料壓碎和磨耗指標值高，拌合出來的再生混凝土強度和耐久性難以滿足工程需求；其次，再生骨料密度小、吸水率高、強度小，配置的混凝土用水量大、水膠比大，力學性能難以保證，應用場景大多局限于非承重結構，如填充墻、砌塊等。

現有研究大多趨向于提高再生骨料強度。王松巖等[11]基于試驗研究和精細化計算，研究強化后的再生混凝土抗震性能。肖建莊等[12]研究再生混凝土框架結構的地震反應，提出在不同破壞狀態下的性能指標。王志佳等[13]采用再生混凝土骨料替換包裹碎石樁的碎石芯料，提出再生混凝土骨料包裹樁。

4 案例應用

四川是農業大省，磷復肥需求量大，產生了大量磷石膏，主要分布在邛崍、樂山馬邊、雅安石棉、德陽什邡等地，庫存量占長江經濟帶7省磷庫存的30%。磷石膏是用硫酸處理磷礦石制取磷酸的工業廢渣，主要成分為硫酸鈣（CaSO4·2H2O），含有磷、氟化物、鎘、汞等污染物。磷酸是生產高濃度磷復肥的主要原料之一，制取1t 磷酸（以100%P2O5計）約產生5t磷石膏。絕大多數磷石膏采用“堆放”形式處理，不僅占用土地資源，且會對周邊環境和地下水造成嚴重污染，其大規模資源化利用迫在眉睫。

2020年四川省磷石膏綜合利用率達100.2%，主要消納途徑有：

（1）超硫水泥，經濟效益好，但市場容量有限；

（2）水泥緩凝劑，影響水泥凝結時間和早期強度；

（3）石膏建筑制品，但成本高、消耗量低。

總體來看磷石膏固廢的綜合應用場景還很有限。四川省公路工程建設規模巨大，需要大量砂石材料，若能將磷石膏用于制備混凝土與路面基層材料，實現資源化利用，經濟和社會效益巨大。

利用磷石膏固廢制備高性能混凝土與路基填料，研究重點集中于磷石膏原材料性能、集料制備、混凝土配合比設計、路基填料制備等方面。

（1）磷石膏原材料的基本物理、化學性能。磷石膏物理性能包括粒徑及級配組成、含水率、密度、膨脹系數等，磷石膏化學組成測試包括磷石膏主要化學成分分析及有害性物質的測定，以及放射性測試，以評判其作為建筑材料使用的可行性。

（2）磷石膏制備集料。利用磷石膏制備集料，需要探究不同磷石膏預處理（粉碎、陳化等）方式、磷石膏和超細活性摻合料種類及摻量對集料性能的影響規律。

（3）磷石膏高性能混凝土制備與應用。將磷石膏與水泥、粉煤灰等共同組成磷石膏基復合膠凝材料，再結合砂石和水配制高性能混凝土，其關鍵在于研究各組成材料摻量、減水劑用量與外加劑配比等因素對膠凝材料凝結時間與抗壓強度的影響，以及磷石膏摻量、砂率、水膠比等對混凝土工作性能、力學性能與體積穩定性、耐久性的影響。

（4）磷石膏路基填料制備與應用。路面基層強度要求低，可采用磷石膏粉取代部分水泥，通過顆粒化磷石膏集料替代碎石，通過配合比設計，進一步提高磷石膏粉摻量，降低生產成本、實現固廢資源化利用。

5 結束語

綜上所述，實現建筑固廢的大規模資源化再生利用，促進產業化生產與應用，可有效解決現今砂石等材料資源短缺的問題。本文開展建筑固廢資源化再生利用的研究現狀分析，系統總結了建筑固廢的現存體量和環境污染問題，并進一步對其定義和分類進行詳細分析，闡述其在公路工程的應用方向和可行性，并總結建筑廢固材料的預處理工藝成套技術，為建筑廢固材料資源化再生利用提供參考。